800V“绝配”碳化硅

作者丨王小西

责编丨罗超

编辑丨朱锦斌

来源 | 汽车公社

10月份，美国《华尔街日报》报道，全球汽车行业正把数以十亿美元计的资金投向以碳化硅（SiC）材料制成的芯片。

比如通用汽车公司，其副总裁希尔潘·阿明就表示：“电动汽车用户正追求更长的续航里程，我们把碳化硅视为电力电子设计中的一种重要材料。”

在说这话之前，通用汽车已经与总部位于达勒姆（北卡罗来纳州）的沃尔夫斯皮德公司达成了一项协议，将使用后者生产的碳化硅器件。

而相辅相成的是，碳化硅的崛起，跟汽车行业正在推进的800V高压平台系统算是“绝配”。在800V高压平台趋近的趋势下，行业预计，未来几年SiC功率元器件将随着800V平台的大规模上车进入快速爆发阶段。

为什么这么说？因为，在800V甚至更高水平的平台上，原本的硅基IGBT芯片达到了材料极限，碳化硅则具备耐高压、耐高温、高频等优势，无疑是IGBT最佳的替代方案。

作为今年热炒的第三代功率半导体材料，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）应用在更高阶的高压功率元器件以及高频通讯元器件领域，代表5G时代的主要材料。特别是碳化硅，可谓集“万千宠爱于一身”。

当然，碳化硅面临的一大挑战是它高企的价格。而如何确保以碳化硅芯片实现的成本节约效益，盖过碳化硅芯片较高生产成本这一不利因素，就成为当下最重要的任务。

俗话说，榜样的力量是无穷的，就像特斯拉所做的那样——特斯拉数年来在功率控制芯片中使用碳化硅，效果是能量损失减少，造就更强大的发动机，提升续航里程，从TCO（总体拥有成本）的角度来讲，单车成本反而下降了不少。

实际上，当下SiC+800V大热，说不清是碳化硅成就了800V，还是800V成就了碳化硅，我们能确定的是，接下来，碳化硅替代IGBT正在成为主流。

碳化硅的优势

从价格方面来说，目前国际上SiC价格是对应硅基产品的5~6倍，并以每年10%的速度下降。据预测，随着未来2~3年市场供应加大，预计价格达到对应硅基产品的2~3倍时，由系统成本减少和性能提升带来的优势，将推动SiC逐步替代硅基IGBT等产品。

按照《华尔街日报》的报道，“研究者估计，根据电动车种类的不同，碳化硅相关技术可以帮助一辆车最终节约出750美元的电池成本。”也有人测算，最终使用SiC合计大约会产生约2000元左右的成本降低。不过，碳化硅材料的成本要接近硅基材料，估计还要等几年。

而碳化硅价格高的原因很简单，因为难造。碳化硅为什么那么难造？可以这么说，钻石有多硬，它就有多硬。所以，碳化硅的制造成本在短期內依然高企。

但是，碳化硅的优势却是非常明确的。比如，体积缩小是其一，丰田的碳化硅元器件体积就要比硅基的缩小80%。此外，据相关分析数据，续航方面，与使用硅基芯片的电动汽车相比，搭载SiC芯片的电动汽车行驶距离平均延长6%。

举个国内的例子，像比亚迪汉EV的SiC模块同功率情况下体积较硅IGBT缩小一半以上，功率密度提升一倍。而且，根据比亚迪公司计划，到2023年比亚迪旗下所有电动车会用SiC功率半导体全面替代IGBT。碳化硅的趋势真是势不可挡啊。

不过，若论及碳化硅的大规模应用，则始于特斯拉。

2018年，特斯拉在Model 3中首次将IGBT模块换成了碳化硅模块。使用下来，在相同功率等级下，碳化硅模块的封装尺寸明显小于硅模块，并且开关损耗降低了75%。而且，换算下来，采用SiC模块替代IGBT模块，其系统效率可以提高5%左右。

当然，从成本来讲，这样并不划算。因为逆变器的功率器件由IGBT替换成碳化硅之后，采购成本上升将近1500元。但是，因为整车效率的提升，导致电池装机量的下降，从电池端把成本又省回来了。

从发展历史来说，全球首款碳化硅功率半导体SiC MOSFET的推出，是在2011年。而在这之前，美国科锐（Cree）公司经过了将近二十年的研发，可谓“难产”。十年之后，SiC才终于迎来“爆发元年”。

而Cree首席执行官Gregg Lowe还确认，公司有望在2022年初建成世界上最大的碳化硅工厂，使其能够充分利用未来几十年的增长机遇。

8英寸时代到来前，供需失衡

从生产工艺来讲，碳化硅目前的主要生产尺寸是6英寸，也就是150mm。不过行业进步还是很快的，8月11日，意法半导体（ST）宣布，其瑞典Norrköping工厂制造出首批8英寸碳化硅晶圆。

据悉，ST首批8英寸SiC晶圆品质十分优良，芯片良品率和晶体位元错误之缺陷非常低。低缺陷率归功于ST在SiC硅锭生长技术深厚积累的研发技术。此外，ST正与供应链上下游技术厂商合作研发专属的制造设备和生产制程。

ST汽车和离散元件产品部总裁Marco Monti表示，汽车和工业市场正在加速推动系统和产品电气化的进程，升级到8吋SiC晶圆将为ST的汽车和工业客户带来巨大优势。

而从6吋到8吋，这也代表着提升功率电子芯片的轻量化和能效方面又迈进了一步。只是，虽说现在8英寸（200mm）的产线已经有量产，但是要全面进入8英寸时代，还需要点时间。

然而一个现实情况是，目前碳化硅功率元器件市场需求的突然爆发，进一步造成了碳化硅供应链的全球性短缺。

以目前的状况，一片碳化硅晶圆也就装备两辆电动汽车。也就是说，以目前全球碳化硅晶圆60万片的年产能，最多也就能够满足120万辆电动汽车的需求。这还没算充电桩等应用。而根据TrendForce集邦咨询研究显示,预计2025年全球对6英寸SiC晶圆需求可达169万片。

再看特斯拉。2020年，特斯拉全球交付了将近50万辆电动汽车；今年上半年的交付量已经达到了38.6万辆，时近年底，预计全年的交付量至少是75万辆。也就是说，目前全球碳化硅晶圆的产能，满足了特斯拉之后，剩下不了多少。

那么，全球碳化硅晶圆方面，主要都有哪些玩家呢？按照2020上半年出货量计算，科锐CREE占据了全球45%的市场份额，日本罗姆的子公司SiCrystal占据20%，II-VI占13%；中国企业的市场份额还比较低，其中天科合达占到5.3%，山东天岳则为2.6%。

从碳化硅的产业链整体来看，主要的SiC衬底、EPI外延片、器件、模组等环节，目前全球碳化硅市场基本被国外垄断。根据Yole数据显示，Cree、英飞凌、罗姆约占据了90％的SiC市场份额。

这里普及一下，SiC器件的制造成本中，有两大工序是其重要组成部分。其中，SiC衬底成本约占总成本的47%，SiC外延的成本占比23%。而SiC衬底制备受限于SiC晶体生长速度慢、过程难以调控、生长多型多、切割难度大等多种问题，全球产能一直处于较低水平。

衬底方面，国际主流已经从4英寸向6英寸过渡，而作为衬底主要供应商的科锐Cree已经开发出8英寸衬底。国内方面，衬底主要供应商有天科合达、山东天岳等能够供应3~6英寸的单晶衬底。

外延片方面，国内厦门瀚天天成、东莞天域光已能提供4英寸/6英寸SiC外延片。目前，6英寸碳化硅外延片可以实现本土供应。当然，从整体情况来说，供需失衡的情况还会是未来一段时间內的主流。

800V“元年”

实际上，碳化硅+800V正在联袂而来。我们也可以说，如果2021年是碳化硅“元年”，那么，2022年将成为800V的“元年”。

这次的广州车展上，我们看到了800V正在成为趋势。像比亚迪e平台3.0、东风岚图、吉利SEA浩瀚架构、现代E-GMP、奔驰EVA、通用奥特能平台等都选择800V高压平台，这不是偶然。

从量产时间来看，各大车企基于800V系统的新车将于明后年陆续上市，虽然真正800V的产品大年预计要到2024年左右。

具体而言，小鹏汽车在广州车展上首次亮相的全新SUV小鹏G9，就首次采用800V高压SiC平台。据悉，小鹏汽车还将铺设中国首批量产的480kW高压超充桩，以实现充电5分钟可跑200公里的目标。

同样，长城的沙龙汽车首款车型机甲龙，也支持800V超级快充，峰值电流高达600A，充电10分钟，即可实现CLTC续航401公里。还有零跑，其800V平台将在2024年第四季度量产。广汽也发布了万城万充为其开发的480kW高压充电桩。

而根据相关预测，2023~2025年国内800V产业复合增速有望超过70%，而2025~2030年进入稳步增长阶段，复合增速约为20%。

那么，为什么800V架构会成为主流呢？还是因为，800V架构下解决了两大需求痛点，一是让充电性能大幅提升，二是提高了整车运行效率。

在800V平台下，可以使用较细的充电导线。我们知道，相同充电功率下，电压高则电流就可以低，电流低导线就不用那么粗，导线的电阻热能耗也就降低。而如果还使用原来400V所用的充电导线尺寸，则可以提升充电功率。

当然，在800V高压充电下，电池本身的串并联组态也必须要重新调整，也就是电池包的电压也要相对提升到800V，否则会因为高充电电流而烧毁。此外，像电驱动、电力电子装置、充电系统等也都需要采用800V的系统。

而整车运行效率更高是指，电流不变时，电池电压越高电机的功率越大，电机驱动的效率也越高。所以，800V高压平台容易实现高功率和大扭矩，以及更好的加速性能。

不过，虽然SiC+800V技术的发展，为新能源汽车及未来出行描绘出了一个美好的未来，但在落地层面，还是具备一定的难度。对于很多车企来说，在没有基础设施配套的前提下，车展上推出一款800V产品，更多是概念的呼唤，随后仍将面对实际问题。

所以，虽然说“技术点亮生活”，但800V平台除了研发落地，也意味着电动车诸多零部件需要重新开发设计，以及高压充电网络从无到有的布局建设，距离产品的真正普及还有很长一段距离要走。理想很丰满，但是现实方面，还是需要耐心等待的。